机械加工表面质量的影响因素及改进措施浅析

摘要：随着现代机械越来越精密，为了保证其能够正常的运转，延长其使用寿命，需要严格控制表面质量。为了严把质量关，对机械每一个组装的部位都要经过严格的质量审核，避免一切可能影响机械质量的因素发生。本文分析了影响机械加工表面质量的因素，总结了提高机械加工表面质量的改进措施。

关键词：机械加工；表面质量；影响因素；改进措施；

随着人类社会的发展及人们对产品质量要求的进一步提高，许多在高温、高压、重载等特殊环境下工作的重要零件，表面承受着巨大的应力和周围介质的腐蚀作用，零件表面的任何一处细微的缺陷都有可能导致零件的损坏。产品工作性能的好坏，很大程度上取决于主要零件的表面质量。研究机械加工表面质量及其影响因素，掌握其变化规律，对提高机械加工表面质量及产品使用性能具有重要的意义。

1表面质量的含义

任何机械加工所得的表面，都不是完全理想的表面，它总是存在着一定程度上的表面粗糙度、残余应力、冷作硬化及金相组织变化等问题。这些问题影响着零件的使用性能和寿命。

表面质量主要包括两方面内容，即表面几何形状和表面层的物理力学性能。

1.1表面几何形状

任何加工后的表面几何形状，总是以"峰"和"谷"交替出现的形式偏离其理想的光滑表面，可分为以下三种：

1.1.1表面粗糙度，属微观几何形状误差，是指零件表面存在着的微观不平度。表面粗糙度可分为横向粗糙度和纵向粗糙度，把垂直于切削速度方向的粗糙度称为横向粗糙度；把沿切削速度方向的粗糙度称为纵向粗糙度。

1.1.2表面波度，介于宏观和微观之间的几何形状误差，它主要由加工过程中的振动所引起。

1.1.3宏观几何形状偏差，即加工精度中所指的"几何形状偏差"。

1.2表面层的物理力学性能

1.2.1表面层冷作硬化，指已加工表面由于挤压产生塑性变形，表面硬度高于工件材料加工前的硬度的现象。

1.2.2表面层金相组织的变化，机械加工中，工件表面加工区温度急剧升高，导致表面层金相组织发生变化，尤其在磨削加工中更加明显。

1.2.3表面层残余应力，残余应力是指工件表面层发生形状变化或组织改变时，在表面层与机体材料交界处产生的应力。当引起应力的原因去除后，此应力仍然存在。

2影响机械加工表面质量的因素

2.1切削加工

2.1.1工件材料的性质影响

零件表面粗糙度加大，其中的一个原因是由于在用刀具加工塑性材料中，会发生塑性变形，再加上刀具在加工过程中会对零件有撕裂作用。一般工件的韧性越好，其塑性的变形越大，加工的表面也就越粗糙。如果工件是脆性材料，切削后的切屑成碎粒状，在切削之后，零件的加工表面上会出现很多导致其粗糙度增大的麻点。

2.1.2切削用量的影响

提高对塑性材料加工时的速度，减少切削的进给量，能够提高加工表面的光整度，反之亦然。

2.1.3磨削加工中对表面粗糙度的影响

在零件表面加工的时候，加工表面金属的几何因素和金属的塑性变形直接影响到了零件磨削加工表面的粗糙程度。其中对其影响最主要的是：砂轮本身的粒度与硬度、磨削的修整速度、零件表面加工的进给量以及零件表面加工的进给速度。

2.1.4加工表面层物理机械性能的影响因素

在切削的力与热的作用下，零件加工表面在切削时，其金属的物理机械性能会产生一定程度的变化，其中包括有发生变化的金相组织以及产生的残余应力。

2.2表面层冷作硬化

在切削刃钝圆的半径增大时，冷作硬化强度与加工表层金属的挤压力成正比，与塑性的变形也成正比；冷硬层深度则是与切削的速度成反比，与刀具和工件表面相互作用的时间成正比，与塑性变形的扩展深度成正比。冷硬程度与切削的速度成正比，与切削热在零件加工表面的实际作用时间成反比，冷硬作用的强弱和进给量成正比，当切削力增大，其表面金属的塑性变形也会加快加剧。

2.3金相组织材料在表面层变化

在零件的加工表面层的打磨温度高于预期的相变温度的时候，表层的金属强度和硬度都会降低，金相组织材料出现了变化，并伴随着一定的残余力出现，当达到一定程度，或者超过时，就容易出现微观裂纹，而这一现象即为磨削烧伤。而磨削淬火钢的时间，主要有回火、淬火、退火三种烧伤形式。

2.4表面层残余应力

在零件进行切削时，金属体积的膨胀主要是由于表面金属的比容增大，而比容与只产生在表层金属中的塑性变形有一定的关系，发生塑性变形，其比容就会增加，表面比容增大的金属层就会受到相连的内金属层的阻碍，因而加工表层中的金属层会产生残余应力，内层则会产生残余拉应力。

不同金相组织的密度比容也不一样，如果加工表面层金属发生了金相组织变化，那就会受到相连金属的阻碍，因此就会产生残余应力。

3、提高机械加工表面质量的改进措施

3.1提高表面粗糙度的方案

3.1.1表面粗糙度及其影响因素

一般来说，横向粗糙度较大，它主要由刀具几何因素和切削因素两方面共同作用形成，纵向粗糙度则主要由切削因素形成。机床-刀具-工件系统的振动也常是引起粗糙度的重要因素。

3.1.1.1刀具几何形状

在理想切削状态下，刀具相对于工件作进给运动时，在已加工表面上遗留下来的切削层残留面积，形成理论粗糙度。在切削过程中，工件受到刀具的刃口圆角及后面的挤压、摩擦产生塑性变形，导致理论残留面积被挤歪、沟纹加深，因而增大了表面粗糙度。

3.1.1.2切削因素：

通常在切削速度较低的情况下切削塑性材料时，易于产生刀瘤与鳞刺，刀瘤与鳞刺会使表面粗糙度严重恶化。在加工塑性材料时，刀瘤与鳞刺是影响粗糙度的主要因素。

另外，刀具材质和刀具刃磨质量对刀瘤和鳞刺等现象的产生有较大的影响作用。

要想提高表面粗糙度，就是要减小切削残留层的面积。首先就是增加转速，减小进给量；其次采用主副偏角较大、刀尖半径较大、刀具硬度偏高的机加刀。

3.2降低塑性变形的方案

要获得比较好的表面粗糙度可以通过以下途径获得：

3.2.1在切削参数方面可以增加切削速度。

3.2.2从材料方面，对于表面粗糙度要求比较高的零件，在机械加工前最好对材料进行调质处理。

3.2.3从刀具的角度，可以采用白钢刀或者焊接刀通过修磨获得大前角和大后角的刀具，同时要保证刀具刃口锋利。

3.2.4从散热角度，保证切削液浓度适中，冷却充分，对于有条件尽量采用内冷的。

3.3在加工过程中降低硬化程度的方案

3.3.1降低加工过程中工件的受力程度

在切削参数较为合理的情况下影响主要来自刀具。其具体的方案为：勤换刀具或者增加刀具修磨频率来保证刀具刃口圆角和后刀面在加工过程中的磨损量，使磨损程度是微小的。

3.3.2降低塑性变形的程度和合理控制变形温度

在刀其使用状况良好的情况下，塑性变形主要受切削参数的影响。其具体方案为：增大切削速度，一方面可以降低表面的塑性变形，另一方面可以适当的增加变形温度。

3.2.3材料的处理

对于表面质量要求有较高要求的材料，在加工前可以做适当的调质处理来改善其加工性能。

4加工工艺对提高表面质量的影响

对于表面质量要求较高的零件，在工艺控制中可以采用超精加工、衍磨等光整加工方法作为最终加工工序。

对于承受高应力、变载荷的零件，可以采用喷丸、滚压、辗光等强化工艺降低表面参与应力和冷作硬化并降低粗糙度。

综上所述，在加工过程中影响表面质量的因数是非常复杂的。为获得要求的表面质量，就必须对加工方法、切削参数进行适当的控制，控制质量表面常会增加加工成本，影响加工效率，所以对于一般的零件宜用正常的加工工艺保证表面质量，不必提出过高的要求。对于一些直接影响产品性能、寿命和安全的重要性的表面就要加以控制。

参考文献：

[1]王明耀主编《机械制造技术》（第2版）机械工业出版社2015.9

[2]王先逵主编《机械制造工艺学》（第3版）/机械工业出版社2013.6

[3]陈彦华《机械加工表面质量的影响因素》[J]中国新技术新产品2009（24）

[4] 余志娟《机械加工表面质量及影响因素探析》[J]装备制造技术2009（06）

个人简介：

李淑敏（1971.3-）女，汉族，河北承德人，高级工程师，主要从事机械设计及其自动化研究